СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТИРОВКОЙ ИЗДЕЛИЙ С НАДДУТЫМИ ГАЗОМ ТОНКОСТЕННЫМИ ЕМКОСТЯМИ АВИАЦИОННЫМИ СРЕДСТВАМИ Российский патент 2004 года по МПК B64D5/00 

Изобретение относится к авиационно-космической технике для обеспечения доставки авиационным транспортом изделий к местам сборки или эксплуатации ракетно-космических комплексов (РКК).

Как правило, изделия могут представлять собой отдельную конструкцию, выполненную в виде тонкостенных емкостей (топливных баков) или иметь законченную сборочную единицу в виде ступеней ракет (блоков). Известна транспортировка ракетных блоков (РБ), топливных баков и других емкостей в грузовых отсеках широкофюзеляжных транспортных самолетов, при этом транспортируются как полностью собранные изделия, так и технологические части, поскольку производственный цикл может завершаться непосредственно на стартовом комплексе (СК). Для такой транспортировки создаются новые широкофюзеляжные самолеты, например самолет США "Супергаппи", а в странах СНГ "Руслан", "Мрия" и др. [1].

Однако возможности широкофюзеляжных самолетов имеют предел, обусловленный габаритами транспортируемых изделий, и изделия диаметром свыше 6 м выгоднее перевозить на наружной подвеске самолета. Возможна доставка таких изделий водным транспортом, но не везде имеются водные трассы от завода-изготовителя до мест назначения, а по железной дороге такие габаритные изделия по существующим нормам (более 4,2 м) перевозить запрещается.

Известны способы управления транспортировкой изделий с наддутыми газом тонкостенными емкостями ракеты-носителя (РН) авиационными средствами, заключающийся в изменении высоты и скорости полета при транспортировке их внутри транспортного контейнера, расположенного сверху фюзеляжа самолета-транспортировщика [2, 3].

Этот способ транспортировки имеет ряд существенных недостатков, а именно:
ограничены габариты перевозимых грузов габаритами контейнера;
из-за значительной массы контейнера уменьшается либо масса транспортируемых изделий, либо дальность полета;
усложняется дальность полета из-за дополнительных операций по погрузке и разгрузке контейнера, его раскрытию и закрытию.

Следует также отметить, что создание транспортного контейнера - сложная инженерная задача, соизмеримая с созданием нового фюзеляжа для транспортного широкофюзеляжного самолета.

Частично недостатки по упомянутому выше способу устранены в техническом решении, в котором предложен способ управления транспортировкой авиационными средствами изделий с предварительно наддутыми до заданного давления тонкостенными емкостями с установленными на них носовыми и кормовыми обтекателями, имеющими воздухозаборники, посредством которых в полете за счет скоростного напора набегающего потока наддуваются внутренние полости под обтекателями из условия обеспечения их устойчивости на смятие [4].

По такому способу транспортируются различные ампулизированные ракеты типа "воздух - воздух", "воздух - земля" и другие негабаритные промышленные грузы вертолетами на внешней подвеске.

Наиболее близким к заявленному способу воздушной транспортировки тонкостенных емкостей РН, принятым за прототип, является способ управления транспортировкой изделий с наддутой газом тонкостенной емкостью (баком горючего РН "Энергия") с использованием самолета-транспортировщика "Атлант" [5]. Изделие с наддутой газом (воздухом) тонкостенной емкостью - герметичным баком горючего (груз) - размещают на "спине" авиационного средства - самолета "Атлант", совершающего изменение на трассе высоты и скорости полета при подъеме и спуске перед посадкой, при этом одновременно контролируют наддув тонкостенной емкости. Транспортировка производится при ограниченных по температуре и барометрическому давлению условиях в пунктах отправки и приема груза, чтобы не нарушать высотных эшелонов полета самолетов.

Недостатком способа, принятого за прототип, является ограничение авиационной транспортировки изделий с наддутыми газом тонкостенными емкостями между зонами с различными климатическими условиями, т.е. имеющими ощутимую разницу по температуре и давлению окружающей среды при соответствующих требованиях к ее герметизации.

Это объясняется тем, что любая герметичная тонкостенная емкость имеет вполне определенный перепад давления на стенки оболочки со стороны внутренней (наддутой) полости и наружной, омываемой внешним потоком поверхности, ограниченный прочностью конструкции тонкостенной емкости (бака), а также вполне допустимый перепад на стенке оболочки, ограниченный устойчивостью бака.

Границы этого диапазона выбираются из условия работы бака по прямому назначению, т.е. при работе в составе РН.

На графике фиг. 1 показан типовой диапазон допустимых давлений в баках первых ступеней РН (заштрихованная область), где:
Р_БМАХ - максимально допустимое давление наддува тонкостенной емкости при работе в составе изделия;
Р_БПР - предельное давление, исходя из обеспечения прочности тонкостенной емкости;
Р_Н - давление окружающей среды (наружное статическое);
Р_БУ - предельное давление внутри тонкостенной емкости, исходя из условия сохранения устойчивости;
ΔP_МИН - минимально допустимый перепад давления (Р_Н-Р_БУ), исходя из условия обеспечения устойчивости оболочки тонкостенной емкости;
ΔP_MAX - максимально допустимый перепад давления (Р_БПР - Р_Н), исходя из условия обеспечения прочности оболочки тонкостенной емкости;
Р_БНО - начальное давление в тонкостенной емкости;
Р_БУО - начальное давление в тонкостенной емкости, исходя из условия устойчивости оболочки тонкостенной емкости.

При транспортировке тонкостенной емкости - бака - с завода-изготовителя на технический комплекс, где происходит окончательная сборка изделия, давление внутри бака должно находиться в пределах допустимых значений на всех этапах транспортировки.

В случае транспортировки изделий из теплой климатической зоны в холодную с Юга на Север (см. графики фиг.1-4) при малом давлении наддува бака, газ охлаждается и при посадке в холодной климатической зоне может произойти потеря устойчивости оболочки бака, и, наоборот, при транспортировке изделия из холодной климатической зоны при относительно высоком давлении наддува может произойти потеря прочности бака после посадки в теплой зоне за счет дальнейшего роста давления внутри бака вследствие разогрева газа наддува.

Таким образом, выбор начального наддува газа в баке из области допустимых значений еще не обеспечивает сохранность бака при авиационной транспортировке между зонами с различными климатическими условиями по температуре и давлению, а также возможна потеря устойчивости в процессе полета торцевых оболочек, закрытых аэродинамическими обтекателями, за счет роста давления под обтекателями в зависимости от высоты и скорости полета при сильном охлаждении газа наддува (см. график фиг.5-6).

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа управления авиационной транспортировкой изделий с тонкостенными емкостями (баками), особенно крупногабаритных изделий, для обеспечения надежной транспортировки как в пределах одной, так и между разными климатическими зонами.

Технический результат может быть достигнут тем, что в способе управления транспортировкой изделий с наддутыми газом тонкостенными емкостями авиационными средствами, заключающемся в изменении на трассе высоты и скорости полета авиационного средства с транспортируемым изделием и контроле наддува тонкостенных емкостей в составе изделия, в отличие от прототипа наддув тонкостенной емкости производят исходя из требований прочности и устойчивости оболочки тонкостенной емкости, изменение высоты Н_П и/или скорости V_П полета производят определяя их значение из соотношений:


где Н_ПМАХ - предельно допустимая высота полета, м;
V_ПМАХ - предельно допустимая скорость полета, км/ч;
Н_ППРЕД - предельная высота Н_ППРЕД = 12000 м;
ΔP_MAX и ΔP_MИН - паспортные данные на транспортируемое изделие;
Р_Б - текущее значение давления в тонкостенной емкости, кгс/см²;
Р_Н - текущее значение барометрического давления в грузовом отсеке (в контейнере или атмосферы за бортом на высоте полета), кгс/см²;
Т₀ - начальная (земная) температура воздуха, К;
К₁ - линейный коэффициент изменения температуры с высотой, одновременно с изменением высоты и/или скорости полета регулируют по данным контроля наддув тонкостенной емкости на трассе.

При этом предлагается как один из вариантов одновременно с изменением высоты и скорости полета производить регулировку наддува тонкостенной емкости путем стравливания газа наддува или подачи в нее дополнительной массы газа за счет скоростного напора и как другой вариант путем изменения давления газа наддува за счет изменения его температуры.

Приведенные формулы, существенно снимая ограничения, дают возможность значительно расширить диапазон регулируемых параметров полета - высоты и/или скорости - за счет дополнительного изменения как начальных, так и текущих значений давления и температуры газа в емкости транспортируемого изделия, при том, что не на всей трассе возможно изменение и высоты и скорости одновременно.

Пример реализации одного из вариантов обеспечения авиационной транспортировки изделия с тонкостенной емкостью - баком горючего для ракеты космического назначения (РКН) "Энергия", имеющим форму цилиндра диаметром 7,8 м и объемом 535 м³, осуществлен с помощью самолета-транспортировщика из аэродрома отправки на аэродром доставки (космодром "Байконур") длительностью транспортировки до двух часов.

Начальное давление наддува выбиралось из условия обеспечения запасов прочности и устойчивости оболочки бака для максимально установленного перепада температур Т_НО в диапазоне от -20^oС (аэродром отправки) и до +20^oС (аэродром приема). При этом в предельном случае ΔP_MИН = -0,05 атм (внешнее давление Р_Н больше давления наддува Р_Б) и ΔP_MAX = 1,2 атм (давление наддува Р_БО больше внешнего давления Р_Н из условия прочности оболочки бака).

Дальнейшее уменьшение ΔP_MAX и ΔP_MИН недопустимо по условиям прочности и устойчивости и в ракетной технике не применяется.

В процессе полета на заданной высоте Н_ПМАХ (максимальная высота обеспечивает максимальную дальность полета) происходит охлаждение газа наддува в тонкостенной емкости, поэтому при снижении самолета-транспортировщика в климатической зоне с Т_НО= +20^oС может быть превышен допустимый предел по ΔP_MИН.
Возникает необходимость точного расчета регулирования высоты и скорости полета и контроля параметров наддува (давления, температуры) тонкостенной емкости для предотвращения нарушения целостности транспортируемого изделия. Контроль параметров наддува осуществляется с помощью датчиков давления и температуры, значения которых выводятся на пульт оператора самолета-транспортировщика. Скорость и высота полета контролируются визуально пилотом по приборам самолета-транспортировщика.

Существенно новой отличительной чертой заявленного способа авиационной транспортировки является регулирование высоты полета и скорости в зависимости от давления и температуры газа наддува в тонкостенной емкости по эмпирическим зависимостям (по формулам Н_П и V_П), полученным экспериментально при отработке в процессе летных испытаний самолетов-транспортировщиков с макетами баков и при транспортировке грузов летных изделий.

Предложенный способ управления транспортировкой изделий с крупногабаритными тонкостенными емкостями (баками) авиационными средствами для обеспечения надежности перевозки как в пределах одной, так и между разными климатическими зонами может быть реализован с помощью самолетов-транспортировщиков "Атлант" (Ил-76, Руслан, Мрия др.) с грузами РКН "Энергия", планера "Буран" и блоков РКН "Аврора", космических разгонных блоков (РБ) типа "Корвет", ДМ3, ДМ-SL и др. , а также при транспортировке изделий без аэродинамических обтекателей, если форма бака не сильно ухудшает аэродинамическую систему "самолет + груз" при перевозке изделий на внешней подвеске самолета или перевозке изделий в грузовом отсеке в транспортировочном контейнере, помещенном в грузовой отсек самолета.

Относительно начального давления (Р_БНО) можно пояснить, что данная зависимость является эмпирической, определенной на основе обработки серии натурных испытаний с различными транспортируемыми тонкостенными емкостями и представляет собой следующую зависимость:

где Р_НО - барометрическое атмосферное давление на поверхности Земли в районе аэродрома вылета, мм рт.ст.;
К_t - безразмерный термический коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды;
ΔP_MИH,ΔP_MAX - минимальный и максимальный допустимые перепады давления между полостью тонкостенной емкости и окружающей средой, кгс/см².

Поскольку в большинстве случаев на территории России барометрическое давление Р_НО в районе аэродромов не выходит за пределы P_НО=710-770 мм рт.ст. , то с достаточной степенью точности можно принять Р_НО/737, равное ~1.

Число 735 является переводным коэффициентом размерности давления из мм рт. ст. в кгс/см², так как 735 мм рт.ст. соответствует одной атм и одновременно представляет собой среднее арифметическое давление, полученное при конкретных испытаниях.

Термический коэффициент К_t представляет собой эмпирическую зависимость вида
К_t=а+b•Т₀;
где а=0,7 - безразмерный коэффициент;
b=0,01 - коэффициент, имеющий размерность 1/^oС.

Таким образом, термический коэффициент будет иметь вид

Формула для определения Р_БНО примет вид

При крейсерском полете сравнивают известными методами текущие значения давления в тонкостенной емкости Р_Б и давления за бортом Р_Н, выдерживают безопасный их перепад таким образом, что при уменьшении избыточного давления Р_Б - Р_Н увеличивают высоту полета, а при увеличении избыточного давления высоту полета уменьшают.

Для сужения диапазона высот полета при наборе высоты крейсерская скорость полета и при снижении уменьшение избыточного давления Р_Б - Р_Н регулируют увеличением давления в тонкостенной емкости Р_Б за счет подачи в нее сжатого воздуха с борта самолета транспортировщика, а увеличение избыточного давления компенсируют стравливанием воздуха из тонкостенной емкости.

Предлагается регулировку наддува тонкостенной емкости осуществлять в процессе полета одновременно при изменении высоты и/или скорости путем стравливания газа наддува или подачи в нее дополнительной массы газа за счет скоростного напора или от бортовых средств самолета. Однако возможен и другой вариант - регулировку наддува тонкостенной емкости производят путем изменения давления газа наддува за счет повышения или понижения его температуры.

На режиме крейсерского полета уменьшение избыточного давления в изделии Р_Б - Р_Н возможно компенсировать нагревом заполняющего его воздуха без нарушения герметичности за счет прокачки горячего воздуха, подаваемого с борта самолета-транспортировщика, а увеличение избыточного давления компенсируют охлаждением воздуха в изделии за счет прокачки холодного воздуха от самолета-транспортировщика.

Осуществляют комбинированное управление транспортировкой, сочетая при уменьшении избыточного давления в изделии Р_Б - Р_Н увеличение высоты полета, дополнительный наддув тонкостенной емкости воздухом при одновременном увеличении его температуры, а при повышении избыточного давления в изделии - снижают высоту полета и стравливают воздух из тонкостенной емкости до получения требуемого перепада.

Формула для расчета высоты полета (Н_П) выводится из неравенства
H_П•(1+P_Б-ΔP_MAX)≤12000•(1+ΔP_MAX-P_Б),
определяемого эмпирическим путем из зависимости, приведенной на фиг.1.

С увеличением высоты полета падает внешнее давление (Р_Н), следовательно, снижается предельно допустимое давление в тонкостенной емкости, пересечение которого с Р_МАХ не должно быть. Это и определяет неравенство и предельную высоту 12000 м, откуда

где Н_П - текущее значение высоты полета, м;
Н_ПМАХ - предельно допустимая высота полета, м;
Р_Б - текущее значение давления в тонкостенной емкости, кгс/см²;
ΔP_MAX - максимально допустимый перепад (со знаком минус) давление между внутренней полостью тонкостенной емкости и внешней средой, а также средой в контейнере или в грузовом отсеке самолета из условия обеспечения устойчивости оболочки тонкостенной емкости, кгс/см².

Формула для расчета скорости полета (V_П - воздушная скорость) выводится из формулы Ветчинкина для высоты полета (Н_П), равной менее 12 км, и имеет вид

где V_ПР - приборная скорость, км/ч;
ρ₀ - плотность воздуха при высоте Н = 0;
ρ_H - плотность воздуха при высоте полета (Н_П до 12 км).

После преобразования и введения эмпирических коэффициентов 24, 6 и 0,0065 скорость полета (V_П) примет вид, описанный в тексте.

Тонкостенную емкость перед погрузкой на самолет-транспортировщик наддувают газом наддува до давления, определяемого формулой (Р_БНО) и обеспечивающего устойчивость ее оболочки при минимальной массе газа наддува, а высоту полета ограничивают величиной по формуле (Н_П). Выбирают скорость полета в зависимости от высоты крейсерского полета по формуле (V_П).

Суть изобретения поясним с помощью фиг.1-6:
на фиг. 1 показана зависимость предельного давления в изделии в зависимости от наружного давления, связанного с высотой полета самолета-транспортировщика;
на фиг. 2-4 показаны изменения высоты, температуры и давления в тонкостенной емкости изделия при полете в разных климатических зонах по времени полета;
на фиг.5 приведена зависимость высоты полета от максимально допустимого перепада давления в тонкостенной емкости изделия;
на фиг.6 приведена зависимость скорости полета от минимально допустимого перепада давления в тонкостенной емкости изделия.

Реализация предложенного способа осуществляется следующим образом: наддутую газом тонкостенную емкость поднимают с помощью авиационного средства (например, самолета-транспортировщика), изменяя на трассе высоту и скорость полета, контролируют давление наддува внутри тонкостенной емкости изделия. На участках взлета, крейсерского полета и снижения при контроле наддува сравнивают известным способами давления в изделии Р_Б и давление снаружи Р_Н, обеспечивая безопасный перепад давления P_Б - Р_Н, определяемый прочностью бака и устойчивостью наддутых оболочек изделия, соответствующим изменением высоты полета на крейсерском режиме и изменением скорости полета при наборе высоты и снижении, для чего в кабину экипажа на пульт выводится соответствующие показания давлений в тонкостенной емкости. Одновременно с изменением высоты и скорости полета регулируют по данным сравнения наддув тонкостенной емкости путем стравливания газа наддува или подачи в нее дополнительной массы газа, например, от шар-баллонов с газом наддува, подаваемого через редуктор, с использованием пуско-отсечной арматуры или забора газа наддува (воздуха) для создания необходимого давления от компрессора самолетного двигателя. В предлагаемом способе подачу газа предлагается осуществлять за счет скоростного напора с помощью воздухозаборника, направленного навстречу набегающему потоку. При этом диаметр воздухозаборника, представляющего собой круговое отверстие в центре переднего обтекателя, зависит от объема тонкостенной емкости транспортируемого изделия.

При этом возможны и аварийные маневры, например, при внезапном повышении давления в отсеке или его внезапная разгерметизация.

Наличие условий, обеспечивающих возможность протекания перечисленных выше действий, совокупность которых составляет данный способ - указываются режимы по температуре и давлению внутри тонкостенной емкости и по скорости обтекающей его внешней среды, по давлению и температуре окружающей среды, причем в четко оговариваемые пределы по высоте транспортировки изделия, скорости обтекания его внешним потоком, начальному давлению наддува, диапазоном регулирования температуры и давления в изделии. Все эти параметры связаны эмпирическими и термодинамическими соотношениями, дающими возможность ввести расчетные зависимостями (формулы Р_БНО, Н_П, V_П).

Разработка ракетных блоков первых и вторых ступеней РКН "Аврора" и космических ракетных разгонных блоков "Корвет" и второй ступени "Воздушного старта" ведется с учетом предложенного способа авиационной транспортировки с обеспечением доставки как отдельных частей РКН, так и полностью собранных ракетных блоков с завода-изготовителя до места старта самолетами-транспортировщиками Ан 124, Ил 76 или "Мрия", находящиеся в эксплуатации.

В настоящее время использование изобретения возможно для обеспечения перевозки авиационным транспортом изделий РКК "Энергия", например, РКН "Аврора", "Союз", "Прогресс", а также ракетных разгонных блоков типа 11Д861 и его модификаций, 11С824Ф, ДМ1 - 4, ЛМ, 314ГК ("Морской старт") и др.

Источники информации:
1. Журнал "Наука и жизнь", издательство Правда, Москва, 1990 г., статья В. Бурдакова "Груз на спине самолета".

2. Газета "Вечерняя Москва" от 27.10.88 г., статья Д. Гая "Седло для "Бурана".

3. Газета "Социалистическая индустрия" от 29.10.88 г., статья В. Корчагина и др. "Буран" летит на "Байконур".

4. "Энциклопедия авиация", издательство ЦАГИ (с. 322, 365, 525), 1994 г.

5. Газета "Красная Звезда" от 12.04.89 г., статья В. Бурдакова "На спине самолета".

Изобретение относится к авиационно-космической технике. Способ заключается в том, что на трассе изменяют высоту и скорость полета и контролируют наддув тонкостенных емкостей. Наддув емкости производят исходя из требований прочности и устойчивости оболочки емкости. Изменение высоты полета производят по соотношению, с учетом предельной высоты полета для данного самолета, паспортных данных на транспортируемый груз и текущего значения давления в емкости. Изменение скорости полета производят по соотношению, с учетом начальной земной температуры воздуха, высоты полета, линейного коэффициента изменения температуры с высотой, паспортных данных на транспортируемый груз, текущего значения давления в емкости и текущего значения барометрического давления в грузовом отсеке. Изобретение направлено на повышение надежности транспортировки. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления транспортировкой изделий с наддутыми газом тонкостенными емкостями авиационными средствами, заключающийся в изменении на трассе высоты и скорости полета авиационного средства с транспортируемым изделием и контроле наддува тонкостенной емкости в составе изделия, отличающийся тем, что наддув тонкостенной емкости производят исходя из требований прочности и устойчивости оболочки тонкостенной емкости, изменение высоты Н_П и/или скорости V_П полета авиационного средства производят, определяя их значение из соотношений

где Н_П.МАХ – предельно-допустимая высота полета, м;

V_П.МАХ – предельно–допустимая скорость полета, км/ч;

H_П.ПРЕД - предельная высота H_П.ПРЕД = 12000 м;

Р_МАХ и Р_мин – паспортные данные на транспортируемое изделие;

Р_Б – текущее значение давления в тонкостенной емкости, кгс/см²;

Р_Н - текущее значение барометрического давления в грузовом отсеке (в контейнере или атмосферы за бортом на высоте полета), кгс/см²;

Т₀ – начальная (земная) температура воздуха, К;

К₁ – линейный коэффициент изменения температуры с высотой одновременно с изменением высоты и/или скорости полета регулируют по данным контроля наддув тонкостенной емкости на трассе.